虚拟现实来了吗？ 来守林 1999年 第37期 01版 戴上特制的头盔，骑上一辆自行车，从头盔显示器里远远看见了天安门城楼。你蹬动自行车的脚踏板，来到了天安门前的大道上，飞快地越过金水桥、穿过午门，越过太和门，来到太和殿广场。由于车速太快，一下子破墙而入，冲进了太和殿，看到了金銮殿内盘龙的柱子，庄严的殿堂。你又骑车来到了御花园，绿树、红墙、碧池令你陶醉。但是，当你摘下头盔，发觉自己仍然是骑在自行车上，一步也没有动。 在原杭州大学开发的虚拟故宫游玩系统中，你即使从没到过北京，也能身临其境在故宫中漫游。这就是神奇的虚拟现实技术给我们生活带来的乐趣。 #1 前景最好的计算机技术 虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）自诞生以来，就在航空航天、军事、核工业以及其他行业中发挥着不可替代的作用，与多媒体、网络并称为三大前景最好的计算机技术。关于虚拟现实的提法，历来多有争议。国外有人反对“Virtual Reality”这个词，称它太玄乎；国内也有人认为虚拟现实的译法不佳，而主张翻译为“灵境”，这给人一种空灵缥缈的感觉，颇有一些韵味。另外也有一些译法如实时环境、虚拟空间、人造现实、仿真技术等等。但在科学界，大多数人仍主张直译为虚拟现实，以求准确和符合现代语法。 虚拟现实系统的最大特点在于它与用户的直接交互性。在系统中，用户可以直接控制对象的各种参数，如：运动方向、速度等，而系统也可以向用户反馈信息，如：模拟驾驶系统中两车相撞，用户会感觉到震颤，车在抖动。经过不平路面时，汽车会颠簸。这种交互性粗看只是一个技术上的变化，但它出现以后，计算机界的一些观念却起了翻天覆地的变化：“以计算机为主体”的看法逐渐被人们所抛弃，大多数人开始接受“人是信息环境的主体”这一思想。关于从技术角度来认识以人为主的信息环境，美国科学家柏迪有一个精辟的论述，他在1993年的世界电子学年会上所发表的《虚拟现实系统及其应用》一文中，提出一个“虚拟现实技术的三角形”，它简明地表示了虚拟现实技术的特征，即：三个“I”（Immersion沉浸感、Interaction交互操作、Imagination思维构想）。 这三个“I”是虚拟现实系统的三个基本特征，其中人的感受在整个系统中是最重要的，强调了人在虚拟现实系统中的主导作用。 （^370101a^） 形形色色的虚拟现实设备 虚拟现实技术发展到如今，当然不只是纸上谈兵。各大公司努力开发的各种设备，在促进虚拟现实的实际应用上起到了相当的作用。 #1 操控设备 最简单的控制硬件包括传统的鼠标和跟踪球，然而这只是二维设备。具有创造性的编程人员能够将这些二维数据用于6个自由度的控制。现在有许多3至6个自由度的鼠标设备投入市场，这些设备并不仅仅获取光标的XY两个坐标值，还获取了Z坐标和三个方向的旋转坐标。这种全方位6个自由度的控制设备安装在一个短棍子上，看上去有点像一块乒乓球拍。 另一种常见的设备是数据手套（Dataglove），这是虚拟现实系统中最常用的人机接口工具。Cyber Glove公司的数据手套在每个手指上有三个弯曲传感器和一个扭曲传感器，在手掌上还有两个传感器。数据手套本身配有一个叫“假手”的软件，该软件用来接收传感器所获取的数据，利用这些信息可控制虚拟空间中物体的位置和方向。VPL公司开发的数据手套，绝大多数在手指关节处安装有光学传感器，手套周围遍布磁场跟踪器。 另一家公司Mattel生产的PowerGlove曾在短时间内应用于游戏系统，它用指端的压力传感器和超声位置传感器提供了手掌和手指的位置数据。 #1 定位设备 虚拟现实中的一个关键技术在于确定现实世界中目标的位置，如：头或手。有许多种方法来实现定位和控制，理想方法是系统能够提供三维坐标（X，Y，Z）和三个方向矢量（roll，pitch，yaw）。现在的机电式头盔可以提供快速、精确的定位，这种头盔看起来像个台灯。 #1 头盔式显示器（Head Mounted Display，HMD） 与VR系统关系最密切的硬件设备是头盔式显示器，这种设备是在头盔上安装显示器，利用特殊的光学设备来对图像进行处理，使图像看上去立体感更强。绝大多数HMD使用两个显示器，能够显示立体图像。个别头盔使用单个大型显示器，虽然不能显示立体图像，但能显示更高分辨率的图像。 （^370101b^） #1 虚拟现实在中国 近年来，虚拟现实技术已在中国取得了长足的进步。 像其他新技术一样，虚拟现实技术首先用于军事上，即使现在，虚拟现实仍然主要用于航天（航空）飞行仿真、模拟军事演习等。宇航员坐在飞行仿真器中，具有和太空一样的真空、重力、温度条件。 北京科技大学虚拟现实实验室近20年来从事虚拟现实研究，成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。由于开发出的三维图形非常逼真，虚拟环境与真实的驾驶环境几乎没有什么差别，因此投入使用后效果良好。到目前为止，已经有150余人通过这个系统的学习取得驾驶执照，路考通过率达到98％。下一步要开发的Internet版，还可以让你坐在家里学驾驶。 国内的一些非科研单位也对虚拟现实非常感兴趣。像中央电视台，正在积极考虑使用虚拟演播室，因为采用虚拟场景不仅成本低，而且创作人员可以自由发挥想象力，不受现实条件的束缚。这样，节目的感染力也更强。 虚拟现实有如此重要的作用，当然引起了国家有关部门的极大关注。国家高技术研究发展计划（即863计划）、国家科委重点科技项目攻关计划和北京航空航天大学“211”工程建设项目，共同资助建立了分布式虚拟环境网络（Distributed Virtual Environment NETwork，DVENET），用于虚拟现实及其相关技术研究和教学。北航计算机系虚拟现实与多媒体研究室、北航仿真技术研究所、原杭州大学工业心理学国家专业实验室、浙江大学CAD＆CG国家重点实验室、中科院软件所等实力不俗的机构都加盟了这个项目的研究，以期有所收获。 现在，北航虚拟现实与多媒体研究室已经在DVENET上开发了直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、虚拟战场环境观察器、计算机兵力生成器；连接了装甲兵工程学院提供的坦克仿真器；基本完成DVENET下分布交互仿真使用的真实地形；并正在联合多家单位开发J7、F22、F16及单兵等虚拟仿真器。他们的总设计目标是为我国军事模拟训练与演习提供一个多武器协同作战或对抗的战术演练系统。 在我国，已有越来越多的科研单位和企业投入了虚拟现实技术的研究和产品的开发，这一方兴未艾的计算机技术必将产生巨大的生产力，让人们的工作和生活更加轻松，更加富有色彩。